可消毒靜壓箱板電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究

喬 彬,孫麗穎,金星河,黃夢琪,李程珂

(哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

2019年底,新型冠狀病毒肺炎爆發(fā)并在全球蔓延。嚴(yán)重影響了人民的生命安全和正常社會活動。研究表明,新冠病毒的主要傳播途徑是經(jīng)呼吸道飛沫傳播,由于病毒在空氣中傳播擴(kuò)散性很好,在人數(shù)較多、通風(fēng)不佳的空間內(nèi)易發(fā)生聚集性感染[1]。因此,保持室內(nèi)常態(tài)化消毒通風(fēng)十分重要。然而空調(diào)開啟時經(jīng)常關(guān)閉門窗以達(dá)良好控溫效果,這會導(dǎo)致空氣流動性變差,不利于病毒細(xì)菌的消殺[2]。因此,研發(fā)出一種可以應(yīng)用于空調(diào)通風(fēng)的消毒裝置對病毒防控具有重要意義。

靜壓箱在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中起著減少動壓,增加靜壓,穩(wěn)定氣流和減少氣流振動的作用,是空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的必要配件,能夠提高通風(fēng)系統(tǒng)的綜合性能[3]。國內(nèi)外學(xué)者對于各式靜壓箱研究有很多:嚴(yán)輝等人采用實(shí)驗(yàn)和CFD方法,分析了貼附式靜壓箱出口速度和內(nèi)流場分布并確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)對流場的影響[5];錢雨鯤等人分析了靜壓箱在不同輸入下的出口溫度場情況[6];Halibart,J等人研究了靜壓箱內(nèi)部空氣流動不對稱時的解決優(yōu)化方案[7]。但顯然,國內(nèi)外學(xué)者的研究都聚焦于靜壓箱的結(jié)構(gòu)和內(nèi)外流場特性,并沒有探究其兼顧消殺工作的可能性。

現(xiàn)在市面上的空氣凈化設(shè)備有很多,常見的凈化方式有吸附,光催化,等離子過濾等[8]。新冠病毒在不同材質(zhì)組成的表面可保持感染性長達(dá)2 h至9 d,再加上新冠病毒的熱敏感性,暴露在紫外線下或處于56 ℃的高溫環(huán)境下30 min可達(dá)到滅活效果[10]。蘭貴天等人根據(jù)新冠病毒的生理特性,設(shè)計出了基于熱耦合電暈放電技術(shù)的空氣消毒裝置,通過采用陣列線-板電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電暈放電,并采用極板內(nèi)嵌發(fā)熱絲實(shí)現(xiàn)集中加熱,能夠有效提高病菌殺滅效果[11]。

因此,本文針對靜壓箱和基于熱耦合電暈技術(shù)的空氣消毒裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,提出一款可以進(jìn)行病菌消殺的靜壓箱,在對氣流進(jìn)行分流的同時殺菌消毒,進(jìn)而取得較好的空氣凈化效果。

1 模型簡介

1.1 可消毒靜壓箱模型

本文取風(fēng)量為300～500 m3/h的靜壓箱為研究對象,為減少靜壓箱占用的吊頂空間高度,其尺寸長×寬×高設(shè)計為370 mm×370 mm×180 mm,由不銹鋼板構(gòu)成。其物理模型如圖1所示。靜壓箱1是一個帶有進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的箱體結(jié)構(gòu),可用于連接進(jìn)入房間的水平送風(fēng)支管與頂送送風(fēng)口。進(jìn)風(fēng)口5的尺寸為160 mm×140 mm(寬×高),出風(fēng)口6的尺寸為200 mm×200 mm。

圖1 可消毒靜壓箱模型:(a)軸測圖(b)俯視圖(c)側(cè)視圖

1.2 空氣消毒裝置模型

靜壓箱中設(shè)置文獻(xiàn)6中提出的空氣消毒裝置,主要由陣列線-板電極組成,如圖1中所示。

陣列板電極主要起收集和集中加熱消殺處理的作用,采用厚度為2 mm的鋁片制成,根據(jù)處理氣量、集塵效率等參數(shù)計算出陣列板電極總面積為0.109 m2。其模型如圖1中所示。

陣列線電極主要通過電暈放電產(chǎn)生等離子體和臭氧,對病毒進(jìn)行初次消殺,采用直徑為2 mm的鎢絲材料制成,鎢絲材料耐高溫腐蝕,可以長時間的穩(wěn)定電暈,殺菌效果穩(wěn)定,線電極結(jié)構(gòu)根據(jù)板電極的不同而不同,線電極的數(shù)量比板電極少一,長度與板電極的板寬相同,其模型如圖1中所示。

送風(fēng)過程中,氣流從進(jìn)風(fēng)口吹向消毒裝置,并從出風(fēng)口吹出,從而達(dá)到殺菌消毒的作用。

2 板電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬

2.1 板電極結(jié)構(gòu)對比研究方案

本文主要針對空氣消毒裝置主要由陣列線電極和陣列板電極組成,陣列的線電極和板電極之間的間距均為10 mm,線板電極之間的間距設(shè)置為25 mm,并交錯排布。

陣列板電極由于陣列方式和板面尺寸不同會形成不同的結(jié)構(gòu)形式,本文根據(jù)研究的靜壓箱尺寸,選取板電極不同板數(shù)、板型、尺寸進(jìn)行對比研究,進(jìn)而提出板電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案,使其在靜壓箱中發(fā)揮良好凈化效果的同時又不會影響靜壓箱的穩(wěn)壓性能。

(1)陣列板電極板數(shù)、板型

在保證板電極總面積不變的情況下,選取圖2所示的四塊板、五塊板、六塊板和七塊板四種板數(shù)進(jìn)行對比研究,板面為正方形,每種板數(shù)均分析平板、1/4圓形彎板兩種板型,如圖3所示。

圖2 陣列板電極的板數(shù)對比方案(以平板為例)

圖3 陣列板電極的板型對比方案(以六塊板電極為例)

改變陣列板電極的板數(shù)、板型共形成8種對比工況如表1所示。

表1 板電極陣列方式對比工況

(2)陣列板電極的板面尺寸

陣列板電極的板面尺寸以正方形板面寬度為基準(zhǔn),依次改變板面寬度為正方形板的71%、83%、100%、120%、140%,共有五種板面形狀,板寬由小到大排列如圖4所示。

圖4 陣列板電極的板面尺寸對比方案(以六塊彎板電極為例)

選擇板數(shù)、板型的最優(yōu)工況并改變其板面尺寸可形成4種對比工況,如表2所示。

表2 板電極尺寸對比工況

2.2 邊界條件

本文利用CFD方法對靜壓箱內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬,研究靜壓箱內(nèi)的壓力、速度等參數(shù)分布,對比不同工況下可消毒靜壓箱的穩(wěn)壓和消毒效果,進(jìn)而探究靜壓箱中板電極結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計參數(shù)。

在各工況的模擬中,將靜壓箱的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口,送風(fēng)風(fēng)速為5 m/s,送風(fēng)溫度為16 ℃。靜壓箱出風(fēng)口設(shè)置為壓力出口,出口邊界為環(huán)境壓力。靜壓箱內(nèi)壁面條件設(shè)置為絕熱壁面。

2.3 評價指標(biāo)

為對比板電極結(jié)構(gòu)對靜壓箱穩(wěn)壓和消毒效果的影響,本文采用下列性能評價指標(biāo)對不同工況進(jìn)行對比分析。

2.3.1 速度不均勻系數(shù)

在靜壓箱中設(shè)置陣列板電極會對送風(fēng)氣流有一定的阻擋,板電極對氣流分布的影響可用出風(fēng)口“速度不均勻系數(shù)”指標(biāo)來評價。靜壓箱在通風(fēng)系統(tǒng)中起穩(wěn)定氣流的作用,室內(nèi)送風(fēng)的速度不均勻系數(shù)εv越小,說明送風(fēng)口的氣流分布越均勻。

速度不均勻系數(shù)計算方法如下

(1)

式中εv——速度不均勻系數(shù);

σv——靜壓箱出風(fēng)口處各測點(diǎn)的速度均方根偏差;

2.3.2 靜壓箱壓降

靜壓箱壓降ηt指靜壓箱進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的靜壓差,其值越小說明靜壓箱的穩(wěn)壓效果越好。計算公式如下

(2)

式中ηt——靜壓箱壓降/Pa;

pi——進(jìn)風(fēng)口的靜壓/Pa;

2.3.3 板電極接觸率

在靜壓箱中未滅活的病毒將在板電極處進(jìn)行富集,利用極板發(fā)熱進(jìn)行消殺,從而取得很好的空氣凈化效果。可以認(rèn)為極板表面壓力越大,空氣粒子在板面停留的時間越長,則板電極的表面利用率越高,此時消毒效果更好,因此本文采用板電極接觸率來評價陣列板電極的消毒效果。

將板電極表面等分成若干個面進(jìn)行研究,板電極接觸率δ表征各個分割面上的靜壓值與極板表面靜壓最大值的差異程度。δ值越大,表示板電極的使用率越高。δ值的計算方法如下[13]

(3)

式中δ——板電極接觸率;

pmax——板電極最大靜壓值/Pa;

pi——板電極各面靜壓/Pa;

n——板電極分割面數(shù)。

2.3.4 綜合評價指標(biāo)

綜合評價指標(biāo)是指靜壓箱的板電極接觸率與送風(fēng)口速度不均勻系數(shù)和靜壓箱壓降乘積的比值,其值越大說明此時靜壓箱能同時滿足通風(fēng)和凈化的效果越好,計算公式如下

(5)

3 模擬結(jié)果和分析

3.1 板電極板數(shù)、板型的對比分析

采用不同板電極板數(shù)、板型時的靜壓箱評價指標(biāo)模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 各工況評價指標(biāo)

從圖5中可以看出,在板數(shù)相同的條件下,彎板的板電極接觸率普遍比平板要高,對比圖6(a)(b)可以看出,裝有彎板消毒裝置靜壓箱的穩(wěn)壓效果要強(qiáng)于平板靜壓箱的穩(wěn)壓效果,靜壓箱壓降遠(yuǎn)小于平板的壓降。此外,二者的速度不均勻系數(shù)和板電極接觸率相差不大,因此,板型為彎板各工況的綜合評價指標(biāo)要高于同等板數(shù)下平板的綜合評價指標(biāo)。當(dāng)板數(shù)變化時,板數(shù)為六的工況6綜合評價指標(biāo)最優(yōu),在板電極接觸率高達(dá)88%時,靜壓箱壓降僅為4.27 Pa,該工況的消毒和穩(wěn)壓通風(fēng)效果優(yōu)于其他工況。

圖6 (a)工況5氣流跡線與靜壓分布;(b)工況6氣流跡線與靜壓分布

3.2 陣列板板電極面尺寸的對比分析

根據(jù)上節(jié)中的結(jié)論,選取最優(yōu)工況6的板面板數(shù)和板型,按照表2設(shè)計陣列板板電極面尺寸,進(jìn)行仿真得到各工況的評價指標(biāo)如圖7所示。

圖7 各工況評價指標(biāo)

從圖7中可以看出,各工況評價指標(biāo)的變化要遠(yuǎn)小于圖5所列各工況評價指標(biāo)的變化,說明板面尺寸變化對于裝置的影響要小于板數(shù)、板型變化時的影響。從圖5、圖7中可以看出,在對比研究的12種工況中,工況11的綜合評價指標(biāo)最高,雖然其速度不均勻系數(shù)略高,但有最小的靜壓箱壓降和最大的板電極接觸率,說明其在穩(wěn)壓和消毒的綜合效果優(yōu)于其他各工況。

圖8分別為工況11的速度跡線圖,靜壓跡線圖,板電極溫度圖和縱向?qū)ΨQ面的靜壓等高圖。可以看出:最優(yōu)工況下靜壓箱的穩(wěn)壓和通風(fēng)的作用并沒有收到太大的影響,而電極板表面的溫度大多維持在60 ℃左右,完全滿足新冠病毒的消殺溫度要求。因此,該工況下的靜壓箱完全可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)和消毒的雙重功能。

圖8 工況11:(a)速度跡線圖;(b)靜壓跡線圖;(c)板電極表面溫度圖;(d)縱剖面靜壓等高圖

4 結(jié)論

本文以靜壓箱和基于熱耦合電暈放電技術(shù)的空氣消毒裝置為基礎(chǔ),提出了一種應(yīng)用于空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的可消毒靜壓箱,為通風(fēng)系統(tǒng)中空氣的消毒凈化提供了新的思路。在此基礎(chǔ)上,模擬了不同結(jié)構(gòu)及尺寸板電極對靜壓箱穩(wěn)壓和消毒的影響,研究結(jié)果表明:

(1)板電極數(shù)量也會對靜壓箱綜合評價指標(biāo)產(chǎn)生影響,對于風(fēng)量為300～500 m3/h的正方形靜壓箱,針對四塊板、五塊板、六塊板和七塊板四種板數(shù)進(jìn)行對比研究,板電極數(shù)為六塊時的消毒和穩(wěn)壓通風(fēng)效果優(yōu)于其他塊數(shù)。

(2)陣列板電極的極板數(shù)量、形狀和尺寸均會對可消毒靜壓箱的穩(wěn)壓消毒效果產(chǎn)生影響。極板剖面形狀為1/4圓形彎板的綜合評價指標(biāo)高于平板,說明陣列彎板電極在靜壓箱中穩(wěn)壓消毒效果優(yōu)于平板。

(3)對于風(fēng)量為300～500 m3/h的正方形靜壓箱,板電極數(shù)為六塊時,發(fā)現(xiàn)當(dāng)消毒裝置的板電極由寬為114 mm,厚為2 mm,間距為10 mm的1/4圓形陣列金屬板組成時,靜壓箱綜合評價指標(biāo)為0.870,最能兼顧消毒和通風(fēng)的要求。